2.2. Ваимодействие: близкодействие, дальнодействие

После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие электрических за­ряженных тел, возник вопрос, почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на больших расстояниях через пустое пространство и почему заряженные тела взаимодействуют между собой даже через электрически нейтральную среду.

До введения понятия «поле» на этот вопрос не было удовлетворительного ответа. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может непосредственно осуществляться через пустое про­странство, которое не принимает участия в передаче взаимодействий, и эта передача происходит мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, которую обосновал Р. Декарт.

Законы взаимодействия электрически заряженных тел допускали возможность их относительно простой проверки. Установлено, что взаимодействие электрических зарядов происходит не мгновенно. Каждая электрически заряженная частица создает электрическое поле, действующее на другие частицы не в тот же момент, а спустя некоторое время. Иными словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, а скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Это составляет суть концепции близкодействия.

В настоящее время известно четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Слабое взаимодействие отвечает за внутриядерное взаимодействие, приводящее, например, к распаду нейтрона с испусканием электронов (β-излучение), сильное взаимодействие – за внутринуклонные взаимодействия, оно удерживает кварки внутри нуклонов.

2.3. Структурные уровни организации природы

Природу для удобства принято делить на три структурных уровня – микро-, макро- и мегамир.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдае­мых микросистем с характерным размером от 10^-8 см и менее, а время жизни – от бесконечности (начала образования Вселенной) до 10^-10 с. (в порядке убывания: атомы, атомные ядра, элементарные частицы). Это мир элементарных частиц и полей.

Макромир – мир макрообъектов, размеры которых соотносят­ся с категориями человеческого опыта, для измерения пространства в миллиметрах, сантиметрах, километрах, для измерения времени в секундах, минутах, часах, сутках и годах. Макромир имеет уровни: физический, химический, биологический, социальный.

Мегамир – мир объектов огромных космических масштабов и ско­ростей, в котором расстояние измеряется световыми годами, а время – миллионами и миллиардами лет.

Микро-, макро- и мегамир тесно взаимосвязаны и составляют единое целое в природе. Тем не менее, на каждом из этих структурных уровней преобладают свои фундаментальные взаимодействия и законы: в микромире – законы квантовой физики, сильное и слабое взаимодействие, в макромире – законы классического естествозна­ния, прежде всего классической физики – механики, термодинамики, электродинамики, гравитационное и электромагнитное. Законы мега-мира основаны в первую очередь на общей теории относительности, гравитационном взаимодействии.

Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены гораздо позднее в работах русского ученого М. В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Дж. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д. И. Менделеева показал существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец, в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие. Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий только ему набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения.

Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд. Эти частицы получили название электронов.

Н. Бор, сделав вывод о том, что зако­ны классической механики и электродинамики вообще неприменимы в микромире, и в частности в атоме. Чтобы сохранить наглядную пла­нетарную модель атома Резерфорда, он сформулировал два постулата (постулаты Бора), идущие вразрез с классической механикой и классической электродинамикой. Эти постулаты заложили основы принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики. Обосновывая свои постулаты, Бор опирался на идею существования квантов электромагнитного поля, выдвинутую в 1900 г. М. Планком и развитую затем А. Эйнштейном для объяснения фотоэффекта.

Постулаты Бора утверждают: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по так называемым устойчивым или квантовым, на которых атом не излучает электромагнитных волн; переход электрона с удаленной на более близкую орбиту сопровождается потерей энергии электрона и излучением атомом кванта.

В рамках квантовой механики получили полное объяснение, как структура атомов, так и изменение свойств химических элементов в периодической системе Д. И. Менделеева.

Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон – частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя.

Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предска­занию существования античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» – другая частица с той же массой, но противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом.

Английский физик П. А. Дирак – основатель релятивистской квантовой теории поля – предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон – позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт и 1934 г. К. Д. Андерсоном в космических лучах.

По современным представлениям, атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов. Первые указания на то, что в состав ядер входят протоны (ядра атомов водорода), были получены Резерфордом в 1919 г. в результате его нового (после открытия строения атома) сенсационного открытия – расщепления атомного ядра под действием α–частиц и получения новых химических элементов в результате первой искусственной ядерной реакции.